張憲鋒,陶小平,祝 魏,張?jiān)雒?孫臘珍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，安徽 合肥 230026)

1 引 言

教育部高教司(高教司函[2010]13號(hào))批準(zhǔn)的《全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽》是大學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽，由高等學(xué)校國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心聯(lián)席會(huì)主辦，全國(guó)高校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì)協(xié)辦，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)承辦的第2屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽于2012年12月22日至12月24日在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心舉行. 競(jìng)賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣與潛能，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革. 來(lái)自國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)示范中心所在院校、國(guó)家級(jí)基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基地院校及獲得國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)精品課程院校的46個(gè)代表隊(duì)的182名大學(xué)生選手參加了本次競(jìng)賽. 競(jìng)賽命題分為基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)和綜合性、研究性物理實(shí)驗(yàn)題2類. 本次實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽既突出物理基礎(chǔ)又充分體現(xiàn)大學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維. 各代表隊(duì)由2人分別單獨(dú)參加4 h的基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽；2人合作參加8 h的綜合性、研究性物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽. 經(jīng)評(píng)審專家組的評(píng)審和競(jìng)賽組委會(huì)審議，評(píng)選一等獎(jiǎng)12名(其中：基礎(chǔ)性試題8名，綜合性、研究性試題4名)；二等獎(jiǎng)31名(其中：基礎(chǔ)性試題20名，綜合性、研究性試題11名)，三等獎(jiǎng)46名(其中：基礎(chǔ)性試題31名，綜合性、研究性試題15名).

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心承擔(dān)了本屆競(jìng)賽的組織、命題、實(shí)驗(yàn)儀器裝置的研制和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的準(zhǔn)備等工作. 本文就第2屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽試題的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考試結(jié)果及競(jìng)賽中存在的問(wèn)題做一些分析，希望對(duì)促進(jìn)各高校進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供點(diǎn)有益的借鑒.

2 基礎(chǔ)性試題的解答與評(píng)析

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題為“利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律測(cè)量質(zhì)量及切變模量”和“測(cè)量康銅絲的楊氏模量和泊松比”2道題，均使用自己實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的裝置獨(dú)自來(lái)完成，每道題時(shí)限4 h.

2.1 試題1：利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律測(cè)量質(zhì)量及切變模量

2.1.1 引言

剛體繞固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定律是研究剛體運(yùn)動(dòng)的基本定律，通過(guò)對(duì)小角度下剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特性研究，可以確定待測(cè)物體的質(zhì)量.

在彈性限度內(nèi)，鋼絲的切應(yīng)力τ與切應(yīng)變?chǔ)贸烧?，即?Gγ(其中G為材料的切變模量). 如在鋼絲的下端懸掛一圓盤(pán)，它可繞中心線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成扭擺. 該扭擺扭過(guò)的角度φ正比于鋼絲所受的扭力矩M，由轉(zhuǎn)動(dòng)定律可得該扭擺作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，由此可確定鋼絲的切變模量.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題

本實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題：

1)測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和螺帽的質(zhì)量；

2)測(cè)量鋼絲的切變模量.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

1)測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和螺帽的質(zhì)量的器材：長(zhǎng)約1 m的木條(過(guò)質(zhì)心附近有一直徑約10 mm的小孔，內(nèi)有套管，套管內(nèi)徑約為6 mm)，質(zhì)量均勻分布的待測(cè)玻璃棒1根(長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為m1)，待測(cè)螺帽2個(gè)(總質(zhì)量為m2)，單擺架1個(gè)(上端固定1根直徑約4 mm鐵桿)，質(zhì)量m為(15.00±0.05) g、半徑為r0的小銅柱2個(gè)，秒表1塊，游標(biāo)卡尺1把，直尺1把，平衡刀口1個(gè)，坐標(biāo)紙1張，小剪刀1把，鉛筆、藍(lán)彩筆、橡皮和膠帶.

2)測(cè)量鋼絲切變模量的器材：圓盤(pán)1個(gè)，待測(cè)金屬絲1根，單擺架1個(gè)，游標(biāo)卡尺1把，螺旋測(cè)微計(jì)1個(gè)，秒表1塊，質(zhì)量m為(50.0 ± 0.1) g、半徑為r0的大銅柱2個(gè).

2.1.4 實(shí)驗(yàn)要求

第1小題：測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和螺帽的質(zhì)量(60分)

1)說(shuō)明如何操作使轉(zhuǎn)軸通過(guò)質(zhì)心，并完成答題紙上的問(wèn)題.

2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和兩螺帽(可視為質(zhì)點(diǎn))的質(zhì)量，并給出必要的計(jì)算公式. (重力加速度g=9.795 m/s2)(可請(qǐng)求提示設(shè)計(jì)方案，扣12分)

3)記錄6組數(shù)據(jù)，要求時(shí)間測(cè)量誤差在0.5%以內(nèi)(人用秒表計(jì)時(shí)的測(cè)量誤差為0.2 s),并用作圖法確定通過(guò)木條質(zhì)心且垂直其表面的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IC.

4)確定玻璃棒的質(zhì)量m1和兩螺帽的質(zhì)量m2. (不要求計(jì)算不確定度)

第2小題：測(cè)量鋼絲的切變模量(40分)

1)完成答題紙上如何確定鋼絲長(zhǎng)度的問(wèn)題.

2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量鋼絲的切變模量，并給出必要的計(jì)算公式，要求鋼絲的長(zhǎng)度約為60 cm，時(shí)間測(cè)量誤差在0.5%以內(nèi)(人用秒表計(jì)時(shí)的測(cè)量誤差為0.2 s). (可請(qǐng)求提示設(shè)計(jì)方案，扣12分)

3)記錄6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合計(jì)算切變模量. (不要求計(jì)算不確定度)

2.1.5 試題特點(diǎn)及解答

1)試題特點(diǎn)

作為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題，在定題過(guò)程中，出題者經(jīng)反復(fù)討論和修改，要求試題既突出物理基礎(chǔ)理論又充分考查考生的實(shí)踐動(dòng)手能力. 第1小題“測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和螺帽的質(zhì)量”，考查了考生對(duì)剛體模型、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理概念的理解；實(shí)驗(yàn)中要求考生利用剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和兩螺帽(可視為質(zhì)點(diǎn))的質(zhì)量，并給出必要計(jì)算公式. 第2小題“測(cè)量鋼絲的切變模量”，考查了鋼絲切變模量的基礎(chǔ)概念，要求考生采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量鋼絲的切變模量，并給出必要計(jì)算公式.

試題難度不大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)的處理量適中，但這2個(gè)小題均要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，考生要在4 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)考生基礎(chǔ)理論的理解程度、基本物理儀器的熟練使用程度以及基本實(shí)驗(yàn)技能的儲(chǔ)備都是不小的挑戰(zhàn)，筆者認(rèn)為，該試題較全面地考查了考生的基本知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能及數(shù)據(jù)處理和分析能力，符合基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題要求.

2)試題解答

第1小題解答：回答答題紙上關(guān)于通過(guò)配重，使轉(zhuǎn)軸通過(guò)木條質(zhì)心的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案確定通過(guò)木條質(zhì)心且垂直其表面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，測(cè)量玻璃棒的質(zhì)量和螺帽的質(zhì)量，并給出相關(guān)計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

測(cè)量并通過(guò)作圖確定通過(guò)木條質(zhì)心且垂直其表面的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(圖1)，測(cè)量出玻璃棒的質(zhì)量m1和螺帽的質(zhì)量m2. (詳解略)

圖1 確定通過(guò)木條質(zhì)心且垂直其表面的 轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

第2小題解答：確定待測(cè)鋼絲的長(zhǎng)度，利用提供的儀器和設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并且給出相關(guān)的計(jì)算公式：

(4)

(5)

(6)

通過(guò)最小二乘法擬合計(jì)算鋼絲的切變模量. (詳解略)

2.1.6 考試結(jié)果及評(píng)析

表1是對(duì)46名參賽學(xué)生基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題1的得分所作的統(tǒng)計(jì).

表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為便于專家客觀評(píng)閱試卷，命題組對(duì)實(shí)驗(yàn)的評(píng)分反復(fù)進(jìn)行討論并細(xì)化，關(guān)于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、測(cè)量結(jié)果的計(jì)算和分析，在評(píng)分細(xì)則中都給出了詳盡的得分點(diǎn). 根據(jù)最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，參賽學(xué)生在該試題的各小題及總分得分情況如圖2所示(橫坐標(biāo)表示分?jǐn)?shù)的區(qū)間，縱坐標(biāo)表示學(xué)生人數(shù))，由圖2可以看出，第1小題考生得分普遍很低，有15位考生請(qǐng)求提示設(shè)計(jì)方案，這部分考生的總分需扣12分，另有部分考生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未能正確地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以致實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)處理與參考答案不符，或部分考生因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系沒(méi)有完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致得分情況偏離高斯分布. 第2小題得分情況大致符合高斯分布，大部分考生完成了實(shí)驗(yàn)，其中有5位考生請(qǐng)求提示設(shè)計(jì)方案，這部分考生的總分也需扣12分. 值得一提的是，獲得一等獎(jiǎng)的4位同學(xué)無(wú)一請(qǐng)求提示設(shè)計(jì)方案. 總體上看，得分情況大致符合高斯分布，兩小題有一定的區(qū)分度.

(a) 測(cè)量玻璃棒質(zhì)量和螺帽質(zhì)量得分分布圖

(b) 測(cè)量鋼絲切變模量得分分布圖

(c) 基礎(chǔ)性試題1 總分的直方統(tǒng)計(jì)圖圖2 基礎(chǔ)性試題各小題及總分的得分情況

通過(guò)具體的統(tǒng)計(jì)分析，我們分析如下：

1)第1小題突出了實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論性，涉及基本物理概念和測(cè)量技術(shù). 從監(jiān)考和閱卷中可以看出，有近1/3的考生拿到題目后無(wú)從下手，沒(méi)有根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的器材正確地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，得分很少. 有15位考生請(qǐng)求了提示設(shè)計(jì)方案，這部分考生基本完成了實(shí)驗(yàn)，但總分需扣12分. 部分考生對(duì)剛體質(zhì)心的概念、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律及簡(jiǎn)諧振動(dòng)性質(zhì)等基本知識(shí)理解不夠，未能按要求用作圖法確定出通過(guò)木條質(zhì)心且垂直其表面的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)致后續(xù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成. 有些考生缺乏基本的實(shí)驗(yàn)技能，不能有效地使用提供的實(shí)驗(yàn)器材，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)方法錯(cuò)誤. 本小題的平均得分為14.30分(滿分為60分)，得分為0分的有7人. 綜合看來(lái)，第1小題是對(duì)考生的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的較全面考察，大約有30%的考生完成了此實(shí)驗(yàn).

2)第2小題要求考生先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并給出測(cè)量鋼絲的切變模量的計(jì)算公式. 從監(jiān)考和閱卷中可以看出，部分考生由于審題不全面或不仔細(xì)，沒(méi)有根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的器材正確地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn). 圓盤(pán)和2個(gè)大銅柱是本實(shí)驗(yàn)提供的主要器材，近30%考生出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤，反映出考生實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平有待提高. 當(dāng)然，還有相當(dāng)部分的考生由于缺乏參賽經(jīng)驗(yàn)，時(shí)間分配不夠合理而未完成答卷，所有這些導(dǎo)致考生得分普遍很低. 從統(tǒng)計(jì)情況看，本小題的平均得分為11.55分(滿分為40分)，得分為0分的有5人. 綜合看來(lái)，第2小題是對(duì)考生基本實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的考察，大約40%的考生基本完成了此實(shí)驗(yàn).

3)總之，試題1強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)理論和測(cè)量技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本技能、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和作圖等都有較高的要求，參賽考生的最高分96分，最低分0分，平均分25.85分，考試成績(jī)基本符合統(tǒng)計(jì)高斯分布.

2.2 試題2：測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比

2.2.1 引言

楊氏模量是材料的重要力學(xué)性質(zhì)，反映了材料抵抗形變能力的大小. 拉力F與絲的原始橫截面A之比定義為應(yīng)力，伸長(zhǎng)量ΔL與絲的原始長(zhǎng)度L之比定義為縱向線應(yīng)變. 在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變滿足胡克定律：

(7)

其中E為材料的楊氏模量. 式(7)中只考慮了材料的微小縱向應(yīng)變，忽略了橫向變化. 橫向伸長(zhǎng)量Δd與絲的原始橫向長(zhǎng)度d之比定義為橫向線應(yīng)變. 在實(shí)踐中，縱向拉伸應(yīng)變還會(huì)導(dǎo)致橫向收縮應(yīng)變. 實(shí)驗(yàn)表明，在材料彈性范圍內(nèi)，橫向線應(yīng)變?chǔ)/d與縱向線應(yīng)變?chǔ)/L之比為常量：

(8)

(8)式中的負(fù)號(hào)表示縱向拉伸導(dǎo)致橫向收縮，μ為橫向變形系數(shù)或稱泊松比.

非平衡電橋與傳感器配合使用，可測(cè)量溫度、應(yīng)力、位移等變化量. 圖3為非平衡電橋的原理圖，其中電阻箱R1，R2，R3為電橋的3個(gè)臂，R4+RS構(gòu)成第4臂，R0為電位器，C是滑動(dòng)頭. 當(dāng)電橋平衡時(shí)：

圖3 非平衡電橋

任意橋臂阻值變化時(shí)，電橋?qū)⑵x平衡位置. 實(shí)驗(yàn)中，金屬絲受到拉伸引起電阻變化，當(dāng)R4+RS的相對(duì)阻值變化量小于1%時(shí)，橋電壓Ug(即DE間電壓)與電阻的關(guān)系近似滿足線性關(guān)系：

(9)

式中，RS是康銅絲的初始阻值.

2.2.2 研究的問(wèn)題

1)測(cè)量康銅絲的楊氏模量；

2)忽略拉伸過(guò)程中康銅絲的電阻率變化，利用非平衡電橋測(cè)量拉力與康銅絲有關(guān)性質(zhì)的關(guān)系，并計(jì)算其泊松比.

2.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

所用的實(shí)驗(yàn)儀如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.2.4 實(shí)驗(yàn)要求

1)按圖3連接電路，建議分壓UAC取0.3～0.5 V，康銅絲的工作電流取3～5 mA.

2)托盤(pán)上放1塊砝碼作為初始條件，調(diào)整儀器兩端的塑料螺栓，使康銅絲與桌面平行，距離桌面77 mm左右，以利于移測(cè)顯微鏡的調(diào)節(jié).

3)測(cè)量康銅絲接入電路的長(zhǎng)度L，精確到mm.(7分)

4)用干涉法測(cè)量康銅絲的直徑d.(30分)

a.簡(jiǎn)述干涉條紋在整個(gè)劈尖區(qū)域分布特點(diǎn)并解釋；為提高測(cè)量精度，應(yīng)測(cè)什么區(qū)域的條紋？

b.用干涉法測(cè)量康銅絲的直徑(選一處即可)，要求測(cè)量相對(duì)不確定度小于1.0%，并給出測(cè)量依據(jù).

5) 分別朝康銅絲上的2個(gè)焊接點(diǎn)哈氣，并觀察橋電壓Ug的讀數(shù)變化.(10分)

a.描述哈氣時(shí)讀數(shù)的變化；

b.上述現(xiàn)象由什么效應(yīng)產(chǎn)生？

6)測(cè)量康銅絲的楊氏模量E.(25分)

a.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，給出相關(guān)公式；

b.求康銅絲的楊氏模量E(合肥地區(qū)重力加速度g=9.795 m/s2).

7)確定康銅絲的泊松比μ(28分)

a.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，給出相關(guān)公式，忽略拉力對(duì)金屬絲電阻率的影響；

b.確定康銅絲的泊松比μ.

2.2.5 試題特點(diǎn)、解答及評(píng)析

1)試題特點(diǎn)

本題原理部分比較簡(jiǎn)單，所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是常見(jiàn)的設(shè)備. 主要考查內(nèi)容包括：由不確定度分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用干涉法測(cè)量康銅絲的直徑，拉伸法測(cè)量康銅絲的楊氏模量，非平衡電橋法測(cè)量康銅絲的泊松比，此外還要求學(xué)生解釋實(shí)驗(yàn)中2個(gè)比較有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 競(jìng)賽組委會(huì)的專家在審核命題過(guò)程中認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)內(nèi)容單獨(dú)看比較簡(jiǎn)單，很多高校都開(kāi)設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，但將這幾個(gè)涉及力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)綜合在一起，對(duì)學(xué)生基本物理理論的理解水平、動(dòng)手能力、分析問(wèn)題的能力、數(shù)據(jù)處理的能力要求較高，能實(shí)實(shí)在在地檢驗(yàn)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)水平.

2)試題解答

第1小題要求學(xué)生連接非平衡電橋的電路，第2小題調(diào)節(jié)康銅絲水平，都是非?；镜牟僮?，難度很小.

第3小題要求用卷尺測(cè)量接入電路的康銅絲長(zhǎng)度L，如圖4所示. 由于L大于1.2 m，單個(gè)考生直接測(cè)量L將導(dǎo)致較大的誤差，不能滿足精確到mm的要求，只能先測(cè)出L1和L2，再求出L. 在實(shí)際操作中，只有3人能正確完成本小題，大部分學(xué)生直接測(cè)量L，說(shuō)明沒(méi)有認(rèn)真審題，動(dòng)手時(shí)對(duì)不確定度的大小沒(méi)有仔細(xì)考慮，考試中學(xué)生動(dòng)手不動(dòng)腦的問(wèn)題普遍存在.

圖4 支架上的康銅絲

第4小題用劈尖干涉法測(cè)量康銅絲的直徑. 要求先用移測(cè)顯微鏡觀察條紋的分布特點(diǎn)并解釋，再用不確定度均分原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量直徑d. 由于康銅絲比較粗，移動(dòng)顯微鏡時(shí)，在劈尖區(qū)域有的地方有干涉條紋，有的地方?jīng)]有條紋，這個(gè)現(xiàn)象可用鈉黃光具有雙線波長(zhǎng)來(lái)解釋. 原理如圖5所示. 根據(jù)不確定度均分原理，可推導(dǎo)出至少需要測(cè)量50個(gè)條紋才能滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 干涉法測(cè)細(xì)絲直徑

本小題考查的不確定度均分原理是物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，干涉法測(cè)細(xì)絲直徑實(shí)驗(yàn)在很多高校都有開(kāi)設(shè). 但從考試結(jié)果來(lái)看，74%的考生不能正確推導(dǎo)出干涉法測(cè)細(xì)絲直徑的公式，余下的考生中，只有2人能根據(jù)不確定度均分原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì). 由于本題的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不常見(jiàn)，操作時(shí)，80%的考生超過(guò)1 h也沒(méi)有調(diào)出干涉條紋，看到條紋的同學(xué)均未能用鈉黃光雙線波長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋. 這說(shuō)明部分考生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，對(duì)劈尖干涉法的理解不夠深入. 這部分的成績(jī)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6.

圖6 第4小題成績(jī)分布

第5小題，當(dāng)考生對(duì)著康銅絲的一端焊點(diǎn)哈氣時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電橋的平衡示數(shù)增大，朝另一端哈氣則示數(shù)減小，這可用溫差效應(yīng)來(lái)解釋. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有28人發(fā)現(xiàn)哈氣對(duì)橋電壓的影響，但只有7人正確解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

第6和7小題要求先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，再測(cè)量康銅絲的楊氏模量、泊松比. 根據(jù)式(7)，測(cè)出康銅絲的直徑d后，用拉伸法很容易測(cè)量楊氏模量. 式(8)中，康銅絲直徑的變化Δd很小，本實(shí)驗(yàn)不能直接測(cè)量，但由于Δd會(huì)引起康銅絲電阻的變化，因此可通過(guò)非平衡電橋測(cè)出其阻值的變化間接測(cè)量Δd，從而求得泊松比. 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8.

圖7 拉伸法測(cè)量康銅絲的楊氏模量

圖8 非平衡電橋法測(cè)康銅絲的泊松比

最后兩小題對(duì)考生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力要求較高. 其難點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分，大部分考生沒(méi)有清晰的思路，也沒(méi)有想到移測(cè)顯微鏡除了用來(lái)測(cè)細(xì)絲直徑，還能用于監(jiān)測(cè)康銅絲的伸長(zhǎng)量. 因此，考生的成績(jī)基本來(lái)自于對(duì)楊氏模量、泊松比的公式推導(dǎo)及用非平衡電橋測(cè)電阻的變化，而無(wú)人正確測(cè)出這2個(gè)物理量. 這兩小題總共53分，得分大于10分的有15人，但只有2人成績(jī)超過(guò)25分.

46位參賽學(xué)生的成績(jī)統(tǒng)計(jì)如圖9所示，成績(jī)普遍不理想，但基本符合高斯分布. 本實(shí)驗(yàn)除了要求靈活使用常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)儀器之外，設(shè)計(jì)性內(nèi)容較多，還要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的理論解釋或者測(cè)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 考試的結(jié)果表明大部分考生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力較弱，這警示在以后的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)減少教師示范、學(xué)生依樣畫(huà)葫蘆的教學(xué)模式，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，切實(shí)提高了他們的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力.

圖9 基礎(chǔ)第2題考生成績(jī)統(tǒng)計(jì)圖